專利名稱：旋轉閥的制作方法
技術領域：
本發明涉及用于工業加的閥。
具體說，本發明涉及帶有多個入口和出口的閥。
更具體地說，本發明涉及一種帶有三個或更多個孔口的旋轉閥。
許多工業加工在流體循環中要求使用閥。這些過程包括烘干、吸附、氣體脫硫和煙塵焚化。這些過程通常采用某種類型的流體來移動如泵、鼓風機和/或壓縮機以及眾多的閥等設備，這些設備是將氣流在合適的時間導入合適的容器所必需的。
用于循環過程的合適閥的選擇取決于許多標準。這些標準包括流動、操作和密封特性、孔口結構、物理尺寸、能量輸入(如電力、水力或氣力)和成本。因為這些過程一般采用較低的壓力(比如，在1psia至100psia的范圍內)，因此形成大容量的流量。所以在這種情況下，有一個伴隨的低的壓降是必需的，其數量級為0.05psi至2psi。
閥操作特性包括快速打開和關閉時間，其數量級為0.25至2秒。密封特性包括密封類型、配對表面和打開與關閉閥以防止在全閉位置時發生任何泄漏所需的動力。至于孔口結構，應說明的是，大多數閥處理單一流體，因此這些閥有一個進入流體的孔口、一個排出流體的孔口。
眾多的這種類型的閥早就用于循環過程的控制，正如其給定的特性，需要無數的閥。相互連接這些閥是必需的，因此需要大量的互連管道。為了在使用雙重閥時維持一個較低的壓降，需要較大尺寸的閥(如直徑大于10英寸)，這導致較慢的打開/關閉時間和較高的成本。
Kice在美國專利3,489,178中提出了一種閥設計，其帶有垂直于旋轉軸的入口和出口方向。這種設計不使用閥外徑大的部分，因此需要一個尺寸和成本增加的閥。
Tucker在美國專利2,312,941中提出了一種閥，帶有非常小的間隙以密封有不同壓力的孔口。這需要以額外的代價來提供一個大型的閥體。此外，與厚壁閥鼓相關的慣性導致閥響應時間增加，結果導致增加大量操作成本。
因此，需要在本技術領域中改善閥設計，以更接近地滿足循環服務的所有標準。
因此，本發明的一個目的是提供一種用于循環過程中的閥設計。
本發明的另一個目的是提供一種閥，當其用于低壓時，只產生較小的壓降。
本發明的再一個目的是提供一種多孔口閥，以盡可能減少循環過程所需的管道數量。
本發明包括一個帶有第一和第二入口/出口流體通道的旋轉閥，以及一個或多個(最好是在6至8個之間)流體孔口。閥有多個位置，可同時將第一和第二流體通道互相連接，以選擇流體孔口。因此，位于第一位置的閥可連接一個第一或第二流體通道和一個第一流體孔口，而位于第二位置的閥可連接一個第一或第二流體通道和一個第二流體孔口。很明顯，提供許多將流體通道和流體孔口相連的位置是可能的，其數目隨著流體孔口數目而增加。
在一個優選實施例中，閥有一個殼，流體孔口布置在殼的外側周壁上。閥可進一步包括一個內部的旋轉柱塞，其可圍繞一個縱軸旋轉，并在各位置之間移動，并包含將流體通道與流體孔口相連的開口或通道。
柱塞在閥內部可分成兩個腔，其中一個腔與第一閥部分相對應，另一個腔與第二閥部分相對應。每個腔可彼此獨立移動，或者彼此相連后一起移動。
閥可進一步包括一個位于殼和內部柱塞部件之間的可移動密封件，該內部柱塞部件可縮進，以允許柱塞在上述位置之間的自由運動。
從下述對優選實施例和附圖的描述中，本領域的普通技術人員可了解其它目的、特征和優點，其中
圖1是為本發明的一個旋轉閥的示意圖。
圖2闡述了本發明一個多孔閥的兩個截面部分。
圖3是使用于本發明旋轉閥中的閥密封件的示意圖。
圖4是用于本發明實踐中的閥密封件促動器的示意圖。
圖5是本發明三孔旋轉閥的截面圖。
本發明提供了適用于循環服務操作的閥設計。所發明的閥有一個小于0.5psi的低壓降(從進入入口3a或3b(下文將描述)至排出出口C-J(下文將描述)之間測量)，當使用于低壓操作(如小于30psia)時，壓降優選為小于0.2psi。在不過度限制其機械部件的情況下，閥可設計得用于小至500cfm或大至100,000cfm的流量。此外，因為所發明的閥是多孔的，系統中裝有閥的互連管道數量減到了最少。實際上，本設計中的孔口數目只受孔口尺寸和閥體周圍外側可用的機械空間的限制。因此，每個閥腔的設計中可布置三個、四個或更多個孔口。可以以任何需要的方式在閥外部的歧管中提供孔口。
在圖1中顯示了旋轉控制閥1的一個機械示意圖。閥體2的外側閥結構(如殼)是圓柱形的，在其外側周圍包含多個流體(排泄)孔口C-J(E和G圖中未示)。外側的殼結構2的厚度小于0.3英寸，最好小于0.2英寸。閥有兩個入口/出口通道，即位于閥體兩端的3a和3b。入口/出口通道是可互換的。
柱塞4相對來說是一個薄壁筒(比如，壁厚小于約0.2英寸，最好壁厚小于0.1英寸)。薄壁的益處在于閥有較小的質量。這允許高速下的操作(即每個孔口切換的時間小于1秒，或甚至每個孔口切換時間小于0.5秒)。
柱塞應該用重量較輕、高彈性強度和高揚氏模量的材料來制成。這些材料的例子如高強度鋼、鋁或碳纖維。
柱塞4通過居于閥體兩端中央的軸承5來支承。軸承又由延伸至閥殼2的內表面的支桿6來支承。柱塞的控制桿7延伸穿過閥兩端，使得可通過旋轉桿來定位柱塞4。閥殼2的一端或兩端可安裝一個彎管8，柱塞桿可穿過彎管延伸，以使得氣動或液力控制機構的附裝變得容易；這些機構如通過齒輪箱10來驅動的伺服電機或其它裝置9。柱塞的這些操作可通過計算機編程，以任何需要的次序來實現。
柱塞4的中心可以被至少一個隔板11分隔開，以便形成兩個或更多個圓柱腔(4a和4b)，以允許處理兩種或多種隔開的流體。柱塞可被設計得使腔能夠獨立或協調操作。柱塞4a在朝向入口3a的一端有一個開口12a，在柱塞的外側周圍有一個與開口12a在內部連通的開口13a。同樣，柱塞4b在朝向空氣入口3b的一端有一個開口12b，在柱塞的外側周圍有一個與開口12b在內部連通的開口13b。在旋轉柱塞4a、4b時，外開口13a、13b可以被索引至與所需孔口(C-J)對齊的位置，以使真空和/或饋入空氣流至與孔口連通的系統部件。
提供一個下文將介紹的密封件14以防止泄漏，并使操作柱塞所需的扭矩減為最小。密封件的設計也使密封件的磨損減為最小。
如圖所示，有兩個入口，一個(3b)通過彎管8，另一個在3a處通過閥的另一端。兩套各四個排出孔附裝于閥殼2上。該視圖顯示了排出孔D、F、H和J(C和I背離紙面向外)的位置。該視圖中未顯示孔口E和G(其位于孔口C和I的對面)。然而，所顯示的閥操作正位于允許通過孔口C和I流動的位置。
因此，流體以下述方式通過閥，即流體以軸向進入閥體(通過進口3a和/或3b)，并通過孔口(C-J)徑向流出。周向密封件14連同縱向密封件15(見圖2)圍繞著柱塞2中的每一開口，以保證密封操作。
圖2顯示了圖1中閥的兩個截面視圖。注意在圖2-5中，與圖1中使用的相同參考數字和字母表示相同的特征。所發明的旋轉閥的該例子具有公共的入口/出口的兩套孔口，各有四個互成90度角布置的孔口。多孔口旋轉閥帶有一個包含一個相匹配的中空圓柱形柱塞4的圓柱形殼2。閥殼1包括多個孔口C、D、E、F和G、H、I和J，管道凸緣附裝于這些孔口上。柱塞上制有開口(13a)，其與所對應的閥體上的孔口相同。柱塞可以繞著中心軸旋轉。所示的柱塞的旋轉是逆時針的，然而，可以以任何需要的次序進行順時針或逆時針的旋轉。該圖還顯示了縱向密封件17的位置。
該閥的密封件設計解決了現有技術中的一個難題。除了典型的磨損、操作便利性和動作速度問題外，還有薄壁柱塞的扭曲問題。為了解決該問題，為所發明的旋轉閥開發了一種獨特的密封件。其顯示于圖3中。
如此所述，為一個較硬的密封件框架20提供了一個較軟的密封件21。密封總成須容納至多0.25英寸的總撓度，其中在外殼和內筒之間最好為約0.125英寸的撓度。密封件框架由帶有彈性橡膠或TEFLON(商標名)脫開式密封件的鋼制成。該總成位于閥體的閥孔口內側。氣動圓柱形促動器22在閥筒開始旋轉之前將密封件總成縮回，在旋轉停止后將其伸出。這種方式不但為有效的密封提供了足夠的撓性來跟隨筒的變形，而且通過消除密封件21和閥筒2之間的滑動磨損，也防止了密封件的大的磨損。柱塞的動作會加速，因為在柱塞的運動過程中，閥體和柱塞之間沒有摩擦。該設計的另一個明顯優勢是其使密封件周邊減為最小，因此也將穿過密封件的泄漏區減為最小。密封件的材料須有極好的耐久性、密封性和成型性。這些材料的例子包括VICON、TEFLON或氨基甲酸乙酯。
操作密封件驅動系統所使用的設備顯示于圖4中。圖中示出了以數字1表示的閥體的一個截面，其上固定有圓柱形閥促動器22。促動器22可以是氣動或液力的。圓柱形促動器22和外側導桿23或者焊接或者用螺栓固定于噴管19上。外側導向器23和內側導向器24規定了密封件框架20和密封件21的往復運動路線的方向。密封發生于密封件21和閥筒(柱塞)2之間以及密封件21和外側導向器23之間。密封件的密封面21可以是平滑的，或可帶有迷宮型的凹槽以改善操作。開口密封件和柱塞之間的驅動間隙的典型數量級為約0.5英寸至約0.1英寸，有利的量級為約0.25英寸，最好為約0.125英寸。柱塞的外側壁和殼的內側壁之間的運行間隙的典型量級為約0.5英寸至約0.1英寸，有利的量級為約0.25英寸，最好為0.125英寸。
該閥的設計允許在磨損特性極度重要的情況下進行繁重的反復使用。低質量的柱塞設計和無摩擦特性允許閥快速動作(量級小于0.5秒)、非常短的循環時間(如在1.0秒和0.1秒之間，較好的時間為0.2秒至0.6秒，最好為0.3秒至0.5秒)和低維護費用。在實踐中，高頻操作和有效定位要求基本上無摩擦、相對閥體無滑動和支承的密封設計。本發明的閾帶有所有這些特性。
有多種改動可以包容于上述公開的設計中。比如，設計可以是帶有三個或更多個孔口的閥。圖5顯示了一種設計，其中軸向流動路徑可被導向閥體1的外徑中三個開口的任何一個。閥的柱塞2能被設計成一個單一旋轉件，或者被設計成兩個獨立動作的軸向柱塞，每一個由其自己的促動器操縱。
此外，柱塞的旋轉方向可以是順時針、逆時針或順、逆時針旋轉的任何組合。閥的三個孔口K、L和M，以及管道凸緣30，可以以任何特定加工方案所需的方式結合在一起。孔口的間隔和尺寸一般由加工的需要來決定，但典型范圍為50平方英寸至2000平方英寸。
再次參考圖5，柱塞2由支桿7和軸承4所支承。所示的柱塞2上的開口朝向孔口L，其中閥密封件32(與圖4中的密封件21相對應)位于密封位置。閥密封件促動器31(與圖4中促動器22相對應)響應控制機構而將密封件32定位。柱塞2的操縱可以通過氣動、液力或通過齒輪用馬達來控制。
對于努力減少系統成本及其操作成本的本領域普通技術人員來說，本發明的優點是明顯的。通過減少閥、促動器數量以及簡化互連管道，系統成本將會降低。
我們還發現，在驅動馬達和齒輪箱的成本、降低損失所需的最小循環時間和密封要求之間有一種關系。具體說，如果筒壁保持得較薄以減小慣性，當總成受到工作壓力時，將導致大的撓曲。閥筒2(圖1)的壁厚將變形，桿3(圖1)將偏離其原始位置。當然，增加壁厚和桿的直徑將減小撓曲，但也將顯著增加驅動器成本和/或增加循環時間。總的來說，我們發現閥筒的壁厚最好小于閥直徑的10％，有利的范圍是0.5～5％。
本發明的閥可使用于許多不同的應用中，包括空氣分離、空氣預凈化和氣體(即CO2、H2和Ar)凈化。一種有利的應用是用于生產氧氣的壓力搖擺吸附(PSA)系統。這樣一個系統可有每天生產100至400噸氧氣的能力。通常，閥尺寸范圍的名義直徑從12英寸到48英寸，孔口長度范圍為12英寸到60英寸。一種優選的PSA過程公開于共同申請的并一同轉讓的美國專利申請No.＿＿，律師案卷號為D-20,411；其內容在這兒作為參考。
應理解上述描述只是示例性地闡述了本發明。在不背離本發明的情況下，本領域的普通技術人員可作出多種替換、修改和用于其他加工條件(如操作壓力范圍)。
權利要求
1.一種旋轉閥，其帶有第一和第二入口/出口流體通道、以及一個或多個流體孔口，其中所述閥有多個同時將第一和第二流體通道與選定的流體孔口進行互連的位置。
2.根據權利要求1所述的旋轉閥，其特征在于，閥有一個外殼，而流體孔口布置于所述外殼的外側周邊上。
3.根據權利要求1所述的旋轉閥，其特征在于，所述閥進一步包括一個內部的旋轉柱塞，其可圍繞縱軸旋轉以在所述位置之間移動，并包含將所述流體通道連接于所述流體孔口上的開口。
4.根據權利要求1所述的旋轉閥，其特征在于，所述柱塞分成兩個腔。
5.根據權利要求4所述的旋轉閥，其特征在于，所述腔可彼此獨立移動。
6.根據權利要求4所述的旋轉閥，其特征在于，所述腔可彼此不獨立移動。
7.根據權利要求3所述的旋轉閥，其特征在于，所述閥進一步包括一個位于所述外殼和所述內部柱塞部件之間的可縮回的密封件。
8.根據權利要求7所述的旋轉閥，其特征在于，所述密封件只在所述柱塞不旋轉時才與所述柱塞接觸。
9.根據權利要求3所述的旋轉閥，其特征在于，所述柱塞通過軸承支承于所述閥的任一側上。
10.根據權利要求3所述的旋轉閥，其特征在于，在所述殼和所述柱塞之間有一個間隙。
全文摘要
一種旋轉閥,其帶有第一和第二入口/出口流體通道、以及一個或多個流體孔口。閥有多個同時將第一和第二流體通道與選定流體孔口進行互連的位置。在一個優選實施例中,閥有一外殼,而流體孔口布置于殼的外側周邊上。閥可進一步包括一個內部的旋轉柱塞,其可圍繞縱軸旋轉以在所述位置之間移動,并包含將所述通道連接于所述流體孔口上的開口。柱塞可被分成兩個位于閥中的腔,其可或者不可彼此獨立移動。
文檔編號F16K11/02GK1269480SQ9912483
公開日2000年10月11日 申請日期1999年11月18日 優先權日1998年11月19日
發明者J·斯莫拉克, L·C·昆 申請人:普拉塞爾技術有限公司